C++量子计算环境 Qiskit库配置方法-C++-PHP中文网

要配置Qiskit库用于C++环境，需通过pybind11创建Python与C++的绑定，使C++程序能调用Qiskit的量子计算功能。首先安装Python、Qiskit和pybind11，然后编写封装Qiskit逻辑的Python模块（如qiskit_logic.py），再用pybind11编写C++绑定代码（如qiskit_wrapper.cpp），将其编译为共享库。接着在C++主程序中通过嵌入Python解释器加载该库并调用相应函数，实现量子电路构建与模拟。此方法结合了Python生态的丰富性与C++的高性能，适用于需在C++项目中集成Qiskit功能的场景。

c++量子计算环境 qiskit库配置方法

要在C++环境中“配置”Qiskit库，核心思路并不是直接安装一个C++版本的Qiskit，因为Qiskit本身是基于Python开发的。我们真正要做的是构建一个桥梁，让C++程序能够调用到Qiskit强大的量子计算功能，这通常通过语言绑定技术实现，比如使用

pybind11

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或直接通过CPython API来集成Python模块。

解决方案

在我看来，将Qiskit引入C++环境，最实用且现代的方法是利用

pybind11

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这样的库来创建C++与Python之间的绑定。这有点像给Python代码披上一层C++的外衣，让C++程序可以像调用普通C++函数一样去调用Python中用Qiskit编写的量子逻辑。

首先，你需要确保你的系统上已经安装了Python，并且通过

pip

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安装了Qiskit以及

pybind11

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：

pip install qiskit pybind11

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接下来，我们通常会采取以下步骤：

立即学习“C++免费学习笔记（深入）”；

编写一个Python模块来封装Qiskit逻辑： 创建一个Python文件（例如，

qiskit_logic.py

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），在这个文件中编写你希望在C++中调用的Qiskit代码。这可以是构建量子电路、运行模拟器、或者提交任务到真实量子硬件等。

# qiskit_logic.py
from qiskit import QuantumCircuit, Aer, transpile

def run_simple_circuit(num_qubits: int, shots: int = 1024) -> dict:
    """
    创建一个简单的量子电路，运行并返回测量结果。
    """
    qc = QuantumCircuit(num_qubits, num_qubits)
    for i in range(num_qubits):
        qc.h(i)
    qc.measure(range(num_qubits), range(num_qubits))

    simulator = Aer.get_backend('qasm_simulator')
    transpiled_qc = transpile(qc, simulator)
    job = simulator.run(transpiled_qc, shots=shots)
    result = job.result()
    counts = result.get_counts(qc)
    return counts

def get_qiskit_version() -> str:
    """
    获取Qiskit版本。
    """
    import qiskit
    return qiskit.__version__

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使用

pybind11

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创建C++绑定： 创建一个C++源文件（例如，

qiskit_wrapper.cpp

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），利用

pybind11

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来定义C++函数，这些函数将调用我们刚才编写的Python模块中的Qiskit逻辑。

// qiskit_wrapper.cpp
#include <pybind11/pybind11.h>
#include <pybind11/stl.h> // 允许在C++和Python之间传递STL容器

namespace py = pybind11;

// 这是一个pybind11模块的定义
PYBIND11_MODULE(qiskit_wrapper, m) {
    m.doc() = "pybind11 example plugin for Qiskit"; // 可选的模块文档字符串

    // 导入我们的Python Qiskit逻辑模块
    py::module_ qiskit_logic_module = py::module_::import("qiskit_logic");

    // 绑定Python函数 run_simple_circuit 到C++
    m.def("run_simple_circuit_cpp", // C++中调用的函数名
          qiskit_logic_module.attr("run_simple_circuit").cast<py::dict (*)(int, int)>(),
          "Run a simple Qiskit circuit and return counts.",
          py::arg("num_qubits"), py::arg("shots") = 1024);

    // 绑定Python函数 get_qiskit_version 到C++
    m.def("get_qiskit_version_cpp",
          qiskit_logic_module.attr("get_qiskit_version").cast<std::string (*)()>(),
          "Get Qiskit version string.");
}

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编译C++绑定： 你需要使用支持C++11或更高标准的编译器（如g++或Clang）来编译
```
qiskit_wrapper.cpp
```
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。编译时需要链接到Python库和
```
pybind11
```
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。
```
pybind11
```
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通常提供了一个CMake的查找模块，或者你可以手动指定头文件和库路径。

一个简单的CMakeLists.txt可能看起来像这样：
```
cmake_minimum_required(VERSION 3.12)
project(QiskitCppWrapper LANGUAGES CXX)

find_package(Python 3.8 COMPONENTS Interpreter Development REQUIRED)
find_package(pybind11 CONFIG REQUIRED)

pybind11_add_module(qiskit_wrapper qiskit_wrapper.cpp) # 生成名为 qiskit_wrapper 的共享库
```
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然后通过
```
cmake . && make
```
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编译。这会生成一个共享库文件（例如
```
qiskit_wrapper.so
```
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或
```
qiskit_wrapper.pyd
```
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），C++程序将加载它。

在C++主程序中调用： 最后，在你的C++应用程序中，你可以加载这个共享库并调用其中定义的函数。

// main.cpp
#include <iostream>
#include <string>
#include <pybind11/embed.h> // pybind11的嵌入式Python功能

namespace py = pybind11;

int main() {
    // 启动Python解释器
    py::scoped_interpreter guard{}; // 确保Python解释器正确初始化和关闭

    try {
        // 导入我们编译好的pybind11模块
        py::module_ qiskit_wrapper = py::module_::import("qiskit_wrapper");

        // 调用C++中绑定的Python函数
        std::string qiskit_version = qiskit_wrapper.attr("get_qiskit_version_cpp")().cast<std::string>();
        std::cout << "Qiskit Version: " << qiskit_version << std::endl;

        py::dict counts = qiskit_wrapper.attr("run_simple_circuit_cpp")(2, 2048).cast<py::dict>();
        std::cout << "Measurement Counts: " << std::endl;
        for (auto item : counts) {
            std::cout << "  " << item.first.cast<std::string>() << ": " << item.second.cast<int>() << std::endl;
        }

    } catch (const py::error_already_set& e) {
        // 捕获并打印Python异常
        std::cerr << "Python Error: " << e.what() << std::endl;
        return 1;
    }

    return 0;
}

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编译

main.cpp

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时，同样需要链接到Python库。

这种方法允许你利用Qiskit的最新功能和丰富的生态系统，同时在C++应用程序中处理性能敏感的部分。

为什么Qiskit不是原生C++库，以及这种跨语言集成的必要性？

说实话，Qiskit选择Python作为其主要开发语言，在我看来是基于几个非常实际的考量。首先，Python在科学计算和数据分析领域有着无与伦比的生态系统和庞大的社区支持。NumPy、SciPy、Matplotlib等库的成熟度，让量子计算研究人员和开发者能够以更快的速度进行原型开发、数据可视化和算法迭代。C++虽然性能卓越，但在快速迭代和高级抽象方面，往往不如Python灵活。

其次，量子计算本身是一个相对新兴且快速发展的领域。Python的动态特性和更低的学习曲线，使得研究人员可以更专注于量子算法本身，而不是被复杂的内存管理和编译细节所困扰。如果Qiskit一开始就选择C++，可能会在社区推广和开发者数量上遇到更大的阻力。

那么，为什么我们还需要这种跨语言集成呢？这就像是取长补短。C++的优势在于其极致的性能和对系统资源的精细控制，这对于构建高性能的量子模拟器后端、嵌入式系统或者与现有C++代码库深度集成至关重要。例如，如果你有一个大型的科学计算项目，其核心部分是用C++编写的，并且需要偶尔调用Qiskit来执行一些量子计算任务，那么直接在C++中调用Python函数就显得非常有必要。它避免了重新用C++实现Qiskit所有功能的巨大工作量，同时又能让C++项目享受到量子计算的最新进展。在我看来，这是一种非常务实的工程选择，允许我们在不牺牲各自语言优势的前提下，实现功能的扩展和性能的优化。

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使用pybind11桥接Qiskit：从Python模块到C++接口的实战指南

利用

pybind11

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将Qiskit的Python功能暴露给C++，其实质是构建一个动态链接库（DLL或.so文件），这个库内部包含了Python解释器的一部分功能，并且定义了一些C++接口，这些接口在被调用时，会转发给对应的Python函数。这听起来可能有点复杂，但实际操作起来，只要理解了基本原理，就会发现它非常强大且灵活。

实战步骤分解：

准备Python环境和Qiskit代码： 这是基础。确保你的Python环境是干净且配置正确的。前面提到的
```
qiskit_logic.py
```
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就是你所有Qiskit量子逻辑的“入口”。设计这个Python模块时，要考虑到哪些函数是你希望从C++中调用的，并确保它们的输入和输出类型清晰。例如，如果一个函数返回一个Qiskit
```
Result
```
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对象，你可能需要将其转换为Python基本类型（如字典、列表）或字符串，以便C++更容易处理。
```
pybind11
```
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绑定模块的设计：
```
qiskit_wrapper.cpp
```
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是核心。这里，
```
PYBIND11_MODULE
```
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宏定义了你C++模块的名称（比如
```
qiskit_wrapper
```
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）。在模块内部，你通过
```
py::module_::import("qiskit_logic")
```
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导入你的Python Qiskit逻辑模块。然后，使用
```
m.def()
```
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来定义C++可调用的函数。
```
m.def("C++函数名", Python模块.attr("Python函数名").cast<函数签名>(), "文档字符串", py::arg("参数名") = 默认值);
```
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这里的
```
cast<函数签名>()
```
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非常关键，它告诉
```
pybind11
```
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你希望如何将Python函数映射到C++函数签名。
```
py::dict
```
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、
```
std::string
```
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、
```
int
```
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等类型可以在C++和Python之间自动转换。对于更复杂的Qiskit对象，你需要考虑在Python端进行序列化（例如，转换成JSON字符串）或在C++端使用
```
py::object
```
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来直接操作Python对象（但这会增加C++代码的复杂性）。
编译与链接的艺术： 编译
```
pybind11
```
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模块需要链接到Python的开发库。如果你使用CMake，
```
find_package(Python)
```
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和
```
find_package(pybind11)
```
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会帮你处理大部分路径问题。
```
pybind11_add_module
```
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命令会自动生成正确的编译指令，包括头文件路径和链接库。生成的共享库（例如
```
qiskit_wrapper.so
```
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）就是你的C++应用程序可以加载的“插件”。这个编译过程可能会因为操作系统和Python安装方式的不同而略有差异，但CMake通常能很好地抹平这些差异。
C++主程序的嵌入式Python： 在
```
main.cpp
```
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中，
```
py::scoped_interpreter guard{};
```
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这一行非常重要。它负责初始化和关闭Python解释器。这意味着你的C++程序在运行时会启动一个Python解释器实例。然后，你可以使用
```
py::module_::import("qiskit_wrapper")
```
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来加载你之前编译好的
```
pybind11
```
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模块。一旦模块被加载，你就可以像调用普通C++对象的方法一样，通过
```
qiskit_wrapper.attr("C++函数名")()
```
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来调用Python函数了。捕获
```
py::error_already_set
```
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异常也是一个好习惯，它能帮助你调试Python代码中发生的错误，并将它们以C++的方式呈现出来。

通过这样的流程，我们不仅能利用Qiskit的强大功能，还能保持C++应用程序的结构和性能优势。这并非没有代价，例如，每次函数调用都会有跨语言的开销，但这对于大多数量子计算任务来说，通常是可以接受的。

C++量子计算的性能考量与替代方案：除了Qiskit，还有哪些选择？

当我们谈论在C++环境中使用Qiskit时，性能是一个绕不开的话题。毕竟，选择C++往往就是为了追求极致的执行效率。通过

pybind11

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进行跨语言调用，虽然方便，但不可避免地会引入一些开销，包括数据类型转换、Python解释器的启动和上下文切换。对于那些对性能要求极高、或者需要运行大规模量子模拟的场景，这种开销可能会成为瓶颈。

那么，除了这种“曲线救国”的方式，C++量子计算还有哪些更原生的选择呢？

Quantum++ (QPP): 这是一个非常出色的纯C++量子计算库。QPP设计简洁，专注于提供高效的量子态和量子门操作。它提供了矩阵代数、量子态表示、量子门操作、测量以及量子信息理论中常见的函数。如果你需要一个高性能的C++量子模拟器，并且愿意从较低的抽象层次开始构建你的量子算法，QPP是一个非常值得考虑的选项。它没有Qiskit那样丰富的生态系统（例如，直接与真实量子硬件交互的SDK），但作为本地模拟器，其性能通常远超通过Python绑定的Qiskit模拟器。
QuEST (Quantum Exact Simulation Toolkit): QuEST是一个高性能的GPU加速量子模拟器，也提供了C和C++接口。它专注于大规模量子态的模拟，能够利用多核CPU和GPU的并行计算能力。如果你的量子模拟规模非常大，需要处理几十个甚至更多量子比特，并且拥有强大的计算资源（特别是GPU），QuEST可以提供比Qiskit Aer模拟器更高的性能。它是一个底层的库，需要你对量子操作有更清晰的理解才能有效使用。
ProjectQ (C++ Backend): 虽然ProjectQ本身是一个Python库，但它的核心模拟器后端是用C++编写的，旨在提供高性能。虽然你仍然需要通过Python前端来使用它，但其底层的C++实现提供了卓越的模拟速度。这与Qiskit Aer模拟器有些类似，都是通过高性能的C++或Fortran后端来加速Python前端的计算。
定制化模拟器开发： 对于某些非常特定的研究或应用，你甚至可以考虑自己从头开始开发一个C++量子模拟器。这无疑是最具挑战性的选择，但它能提供最大的灵活性和性能优化空间。你可以根据自己的需求选择最合适的算法、数据结构和并行化策略。

在我看来，选择哪种方案，很大程度上取决于你的具体需求：

如果你主要关注算法原型开发、与IBM量子硬件交互、或者利用Qiskit的丰富模块（如优化、金融、机器学习模块），那么通过
```
pybind11
```
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集成Qiskit仍然是一个高效且务实的选择。
如果你需要极致的本地模拟性能、处理大规模量子比特、或者与现有的C++高性能计算框架深度集成，那么像QPP或QuEST这样的原生C++库会是更好的选择。它们提供了更低的抽象层次，但换来了更高的执行效率和更精细的控制。

最终，C++量子计算环境的“配置”不仅仅是安装库那么简单，它更多地是关于如何在不同的语言和库之间做出权衡，以达到性能、开发效率和功能丰富度的最佳平衡。

以上就是C++量子计算环境 Qiskit库配置方法的详细内容，更多请关注php中文网其它相关文章！